Функции. Транспозоны участвуют в регуляции активности генов, инактивируя или активируя их. Осуществляют горизонтальный перенос генов, например, вирулентности или резистентности, обусловливая распространение устойчивости к антибиотикам среди микроорганизмов.

ИНТЕГРОНЫ

Отвечают за сайтспецифическую рекомбинацию. Интегроны — мелкие генетические элементы, содержащие промотор и ген тирозиновой рекомбиназы — int. Рекомбиназа распознает в бактериальной хромосоме сайт att I и обеспечивает встраивание в него. Не содержат гены, отвечающие за транспозицию. Способны соединяться с кассетами генов, кодирующими резистентность и другие признаки, при этом генетические кассеты должны содержать обеспечивающие подвижность гены и элемент размером 59 п.о.

ОБМЕН ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИЕЙ

Геном бактерий характеризуется пластичностью, или способностью изменяться. В зависимости от механизмов формирования генетического разнообразия бактерий выделяют: 1) клональные штаммы, генетическое разнообразие которых формируется только благодаря мутациям (Mycobacterium tuberculosis, Salmonella spp.); 2) панмиктические штаммы, генети-

ческое разнообразие которых формируется благодаря мутациям и горизон-

тальному переносу генов (Neisseria gonorrhoeae). Горизонтальный пере-

нос генов — обмен генетической информацией между различными эволюционными группами. Горизонтальный перенос генов представляет собой мощный фактор эволюции, приводящий: 1) к формированию видов; 2) многообразию видов; 3) к дивергенции микроорганизмов. Горизонтальный перенос генов происходит у микроорганизмов, обитающих в схожих условиях среды, и возможен даже между отдаленными систематическими группами; позволяет быстро приобретать новые свойства. Кроме того, он приводит к стиранию границ между группами микроорганизмов, относящихся к разным таксономическим уровням. До 30 % генома бактерий может приобретаться за счет горизонтального переноса генов. Например, у

E.coli 18 % генов приобретены таким образом.

Воснове горизонтального переноса генов лежат генетические рекомбинации. Генетические рекомбинации сопровождаются переносом ДНК в одном направлении — от донора к реципиенту, при этом передается

13

не вся молекула, а лишь небольшой ее участок, что приводит к формированию частичной зиготы, или мерозиготы. Клетку, в которой произошла рекомбинация, называют рекомбинантом. У бактерий известны три варианта рекомбинаций, отличающиеся способом переноса ДНК: конъюга-

ция, трансдукция и трансформация.

ТРАНСФОРМАЦИЯ

Трансформация — разновидность рекомбинативной изменчивости микроорганизмов, сопровождающаяся переносом ДНК от донора к реци-

пиенту через окружающую среду. В процессе трансформации ДНКфрагмент погибшей и разрушенной бактерии встраивается в ДНК реципиента, находящегося в состоянии компетенции. Впервые продемонстрирована в 1928 г. Фредериком Гриффитом. Описана как у грамположительных, так и у грамотрицательных бактерий родов Bacillus, Haemophilus, Neisseria, Escherichia, Pneumococcus. Для осуществления трансформации необходимы следующие условия:

1.Наличие небольшого (до 20 генов) фрагмента двухцепочечной ДНК донорской клетки. Одноцепочечные или меньшего размера ДНК быстро разрушаются нуклеазами окружающей среды.

2.Наличие реципиента, находящегося в состоянии компетенции. В естественных условиях захват ДНК клеткой-реципиентом осуществляется

вфазу логарифмического роста, когда продуцируются специфические ДНК-связывающие белки, кодируемые com-генами. Состояние проницаемости бактериальных мембран для ДНК называют компетенцией. В лабораторных условиях компетенция достигается путем обработки химически-

ми веществами, например, добавлением CaCl2 в культуру.

Стадии трансформации. На первой стадии трансформации про-

исходит захват ДНК клеткой-реципиентом. У грамотрицательных микроорганизмов (например, N. gonorrhoeae) ДНК присоединяется к поверхности бактерии и поступает в ее цитоплазму по каналу, пронизывающему наружную мембрану, пептидогликан, периплазматическое пространство и цитоплазматическую мембрану. В области наружной мембраны канал состоит из белка-пиллина Pil Q, в пептидогликане и периплазматическом пространстве — из Pil E и ДНК-связывающего белка Com E, в цитоплазматической мембране — из белка Сom A (рис. 4). Перед поступлением в канал, состоящий из белка Сom A, одна из двух нитей ДНК разрушается нук-

леазой. У грамположительных микроорганизмов (например, B. subtilis)

нет наружной мембраны, и поэтому транспорт происходит только через клеточную стенку и цитоплазматическую мембрану. В клеточной стенке для прохождения ДНК формируется канал из белка Сom GC и ДНК-свя- зывающего протеина Com EA. На уровне цитоплазматической мембраны

14

одна из нитей ДНК разрушается нуклеазой, а вторая транслоказой Com FA транспортируется по каналу из белка Сom ЕС в цитоплазму.

Рис. 4. Каналы для поступления ДНК в процессе трансформации:

НО — наружная оболочка; ПП — периплазматическое пространство; КС — клеточная стенка; ЦПМ — цитоплазматическая мембрана

На второй стадии трансформации происходит реципрокный обмен между донорской и реципиентной ДНК, называемый гомологичной рекомбинацией. Рекомбинация требует сходства между генетической информацией донора и реципиента и наличия генов бактериальной рекомбинации — recA, B и C. В редких случаях возможна рекомбинация между отдаленными видами.

Значение. В естественных условиях трансформация приводит к усилению вирулентности. Используется в микробиологии для конструирования генетически модифицированных микроорганизмов, изучения функций генов.

ТРАНСДУКЦИЯ

Трансдукция — разновидность рекомбинативной изменчивости микроорганизмов, сопровождающаяся переносом генетической информации от донора к реципиенту с помощью бактериофага. Перенос участков бактериальной хромосомы фагами был открыт в 1951 г. Ледербергом и Циндером у Salmonella typhimurium, впоследствии описана у многих родов бактерий: Salmonella, Escherichia, Shigella, Bacillus, Pseudomonas, Vibrio, Streptococcus, Slaphylococcus, Corynebacterium. Капсидная оболочка бакте-

риофага защищает ДНК от действия нуклеаз, поэтому трансдукция, в отличие от трансформации, не чувствительна к нуклеазам. Трансдукцию осуществляют умеренные фаги. Они переносят лишь небольшой фрагмент генома клетки хозяина, и, как правило, среди особей одного вида, но

15

возможен и межвидовой перенос генетической информации, если бактериофаг имеет широкий спектр хозяев.

В зависимости от исхода взаимодействия фага с бактерией выделяют литические и умеренные фаги.

Литические (вирулентные) фаги впрыскивают нуклеиновую кислоту в клетку и репродуцируются в ней, после чего покидают клетку путем лизиса.

Лизогенные, или умеренные, фаги, инъецировав свою ДНК в клет-

ку, могут вести себя двояко: 1) начать цикл репродукции и покинуть клетку путем лизиса; 2) интегрировать свою генетическую информацию в геном бактерии и в его составе передаваться дочерним клеткам. Фаги, встроенные в геном бактерий, называют профагами, а бактерии со встроенными в геном фагами — лизогенными. В результате действия факторов, прерывающих лизогению (УФ, ионизирующая радиация, химические мутагены), вновь синтезируются вирусные частицы, которые покидают клетку. Примером умеренного фага является фаг λ, поражающий E. coli. Этапы его трансдукции:

1.Адсорбция фага к рецепторам на поверхности E. coli.

2.Проникновение хвостовой части фага через клеточную стенку и инъекция ДНК в клетку-хозяина.

3.Рекомбинация кольцевой молекулы ДНК фага с ДНК хозяина и установление лизогении (фаговая ДНК находится в интегрированном состоянии).

4. Передача профага дочерним клеткам в процессе размножения E. coli. Чем больше делений, тем большее количество клеток содержит бактериофаг.

5.Окончание лизогении. ДНК бактериофага вырезается из бактериальной хромосомы. Происходит синтез вирусных белков и репликация ДНК фага, сопровождающиеся созреванием вирусных частиц и их выходом из клетки путем ее лизиса. Во время вырезания бактериофаг может захватывать близлежащие бактериальные гены, которые в последующем попадают в клетку реципиента.

6.Встраивание генома бактериофага, несущего бактериальные гены,

вДНК бактерии-реципиента.

В зависимости от места встраивания бактериофага выделяют следующие виды трансдукции:

а) неспецифическую (общую). Бактериофаг может встраиваться в любом месте генома бактерии и поэтому способен переносить любой фрагмент ДНК хозяина;

б) специфическую. Бактериофаг встраивается в строго определенные места генома бактерии, а поэтому переносит лишь строго определенные фрагменты ДНК;

16